铁性材料在太赫兹波段的物理行为及器件探索

Ferro-materials can meet the needs of the growing miniaturization, integration terahertz devices because of their unique physical properties, such as polarization, spin structure and coupling. Therefore, the physical behaviors and the development of the related devices for the ferro-materials in THz bands have been one of the current international and frontal research areas. This project intends to explore the effects of micro-structural factors on dielectric responses in THz band in ferro-materials; Transition bebavoirs from dipole polarization to lattic ionic polarization and the evolution of the softening of the phonon soft mode in THz band are systematically investigated; Elementary excitations originated from spin-polarization coupling in ferro-materials are detected and their variation with the applied field are studied, which are further in favor of revealing the microscopic physical mechanism of magnetoelectric (ME) effect in multiferroic materials; THz emission from ultrafast-laser-pulse illuminated ferro-nanostructure and the modulations of the polarization and spin by THz pulses are other important research issues in this project. With the fundamental physical issues clarified, the related THz devices are developed. Through this project, the natural physical mechanisms of ferro-materials' behaviors can be better understand; The new methods for THz emission and THz controlled polarization and spin are to be established. All of these can provide guide information for the development of THz devices.

铁性（铁电、铁磁、多铁）材料因其具有独特的极化、自旋结构、多场调控等特性能够用于新型太赫兹器件制备。因此，铁性材料在太赫兹波段的物理行为及器件探索成为近年来物理、材料和信息等多学科交叉的前沿研究领域。本项目主要研究铁性材料微结构对太赫兹介电响应的影响规律；探索铁性材料在太赫兹频段下的一些基本物理问题，如研究铁电体偶极子极化向晶格离子极化的过渡行为以及相变中声子、软模在外场下的软化、演变和弛豫过程；探索多铁材料中磁序-极化序耦合的元激发及其在外场下的调控特性，从而揭示磁电耦合的微观物理机制；研究铁性微纳结构在超快光场下产生的太赫兹辐射特性以及太赫兹脉冲对电极化、自旋的调控作用；在发现规律的基础上，设计和制备新型太赫兹源和太赫兹探测的原型器件。通过研究，深刻理解铁性材料在太赫兹波段下行为的物理本质，寻找产生太赫兹脉冲及利用其调控铁性材料特性的新方法，为太赫兹器件的研制提供指导。

铁性(铁电、铁磁以及多铁等)材料体系是一类在室温下具有潜在磁电耦合效应的物质系统，有望通过掺杂改性和外场调控或者多层异质结构等方式实现，已经成为当前人们研究的前沿热点。本项目提出采用结合RHEED监控，交替生长的分子束外延技术，进一步采用变温远红外太赫兹、变温拉曼散射光谱以及变温磁学回线测试等光电表征手段来研究几类铁性氧化物材料体系的太赫兹响应、声子响应、电子-声子相互作用以及磁有序等物理过程。通过结合上述多种表征方法，我们不仅可以观察到铁性氧化物材料及多层结构体系中的远红外声子模式变化规律和铁电弛豫等行为，同时也可以揭示它们的铁电相-顺电相转变和磁有序等物理起源。.本项目主要针对钙钛矿型和层状结构铁性(铁电、铁磁以及多铁等)薄膜的带间电子跃迁、声子模式、远红外太赫兹响应和自旋调控等特性展开了深入系统的研究。澄清了上述材料体系中晶体结构随温度、组分、薄膜厚度以及掺杂等物理参数的依赖关系，进一步揭示了铁基陶瓷和薄膜材料的远红外声子模式频率与相变规律的联系。其次，本项目通过研究钙钛矿结构磁性氧化物薄膜及多层结构的铁电弛豫行为和磁滞回线特性，揭示了氧化物薄膜低温下铁电畴壁运动的物理规律。进一步基于分子束外延技术建立了氧化物薄膜/单晶衬底界面可控的材料制备工艺。此外，本项目开展二氧化钒及透明导电氧化物薄膜的远红外太赫兹响应行为以及结构相变的研究。建立了带间电子跃迁的回线变化行为与其相变的关系，为新型信息功能器件设计奠定了理论基础。在本项目资助下，项目组共发表SCI收录学术论文33篇(其中Scientific Reports和APL等影响因子3.0以上论文16篇)，应邀参加国际国内学术会议8次等。共培养了博士研究生5名以及硕士研究生5名，2名博士后出站。.综上所述，本项目不仅高质量地完成了任务书中各项要求及指标，而且还延伸了项目成果至其它相关研究领域，为项目的可持续性研究提供了依据。